传感器原理与应用 第三章3-2.ppt

在可能的情况下,传感器内尽量采用差动对称结构,这样可以通过某些类型的测量电路(如电桥)来减小温度等误差。 选用50kHz至几MHz作为电容传感器的电源频率，以降低对传感器绝缘部分的绝缘要求。传感器内所有的零件应先进行清洗、烘干后再装配。传感器要密封以防止水分侵入内部而引起电容值变化和绝缘性能下降。壳体的刚性要好，以免安装时变形。 适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比增大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。 电极应做得极薄使之与极间距相比很小，这样也可减小边缘电场的影响。 + - 图3-19 边缘效应 2．消除和减小边缘效应 等位环3与电极2同平面并将电极2包围，彼此电绝缘但等电位，使电极1和2之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环3外周不影响传感器两极板间电场。 可在结构上增设等位环来消除边缘效应。 图3-20 带有等位环的平板式电容器传感器 等位环3 + - 电极1 电极2 边缘效应引起的非线性与变极距型电容式传感器原理上的非线性恰好相反，在一定程度上起了补偿作用。 寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。 3．消除和减小寄生电容的影响 （1）增加传感器原始电容值 （2）注意传感器的接地和屏蔽； （3）集成化 （4）采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术 （5）采用运算放大器法； （6）整体屏蔽法 （1）增加传感器原始电容值　　 采用减小极片或极筒间的间距(平板式间距为0.2~0.5mm，圆筒式间距为0.15mm)，增加工作面积或工作长度来增加原始电容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容值变化在 10-3~103 pF范围内，相对值变化在 10-6~1范围内。 （2）集成化　　 将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去传感器的电缆引线。这样，寄生电容大为减小而且易固定不变，使仪器工作稳定。但这种传感器因电子元件的特点而不能在高、低温或环境差的场合使用。 当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因(如环境温度较高)，测量电路只能与传感器分开时，可采用“驱动电缆”技术。 （3）“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术 采用这种技术可使电缆线长达10m之远也不影响仪器的性能。 图3-21“驱动电缆”技术 1：1 + 测量 电路 外屏蔽层 内屏蔽层 芯线 传感器 - 传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线(即电缆芯线)通过增益为1的放大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。 由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为“驱动电缆”。 外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。 当电容式传感器的初始电容值很大(几百μF)时，只要选择适当的接地点仍可采用一般的同轴屏蔽电缆，电缆可以长达10m，仪器仍能正常工作。 内外屏蔽层之间的电容是1:1放大器的负载。1:1放大器是一个输入阻抗要求很高、具有容性负载、放大倍数为1(准确度要求达1/10000)的同相(要求相移为零)放大器。因此“驱动电缆”技术对1:1放大器要求很高，电路复杂，但能保证电容式传感器的电容值小于1pF时，也能正常工作。 图3-22 运算放大器法 -A uo C Cx ∑ ～ （4）运算放大器法 利用运算放大器的虚地减小引线电缆寄生电容CP。电容传感器的一个电极经电缆芯线接运算放大器的虚地Σ点,电缆的屏蔽层接仪器地,这时与传感器电容相并联的为等效电缆电容Cp/(1＋A)，大大减小了电缆电容的影响。外界干扰因屏蔽层接仪器地，对芯线不起作用。 传感器的另一电极接大地，用来防止外电场的干扰。若采用双屏蔽层电缆，其外屏蔽层接大地，干扰影响就更小。实际上，这是一种不完全的电缆“驱动技术”，结构较简单。开环放大倍数A越大，精度越高。选择足够大的A值可保证所需的测量精度。 传感器原理与应用——第三章 3.2 电容式传感器的测量电路 3.2.1 电容传感器的等效电路 图3-9 电容传感器等效电路 （a） （b） RP C R L C 3.2.2 测量电路 1. 电桥电路 U Cr1 C （a） R R U0 （c） U Cr1 Cr2 U0 L L Cr1 （b） C U0 U C Cr2 另两个臂是紧耦合电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。 变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。 Cr1 Cr2 U0 U （d） 图3-12 电桥测